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高精度小型铣床(关键技术)的研究与开发

于永坤  
【摘要】: 随着民用和国防等众多领域对微小型化产品需求的不断增加,人们开始越来越关注微小零件的设计与加工问题。微细铣削加工技术在制造复杂三维几何形状微小零件中具有重要的作用。然而,目前许多由金属材料制成的三维微小零件都是在常规尺寸的超精密机床上加工而成的,这些机床成本高、效率低、能耗大、主轴转速相对较低,微小型机床的诞生就是为了解决这些问题。微小型机床不仅有助于提高空间利用率和降低成本;而且由于惯性减小,从而容易达到高速加工和高精度运动控制。 从铣床的研发过程来看,高精度小型铣床主要由三个关键的部分组成,即主轴系统、微进给驱动系统和控制系统。本课题针对于高精度小型铣床的微进给驱动系统进行了深入的研究,设计了尺蠖式压电微进给系统。此系统利用了压电陶瓷材料的逆压电效应产生微位移,压电陶瓷驱动器所具有的体积小、位移分辨率高、出力大的有点保证系统具有较高的精度和驱动能力;但是受材料性能的限制,本课题使用的压电陶瓷驱动器的最大进给距离仅为50μm,对很多零件来说这很难满足加工要求。因此,我们利用仿生学原理模仿尺蠖的爬行方式设计了尺蠖式压电微进给装置,以实现较长距离的加工进给。 设计过程中为了不影响压电陶瓷驱动器的驱动精度,本文利用柔性铰链所具备的结构紧凑、无磨损、无传动空程的特点,设计了柔性铰链平台来完成微位移的传递,最大限度的减少微位移传递过程中在精度上的损失;为了弥补压电陶瓷进给步幅小的缺点,文章利用了杠杆传递原理设计了柔性铰链杠杆放大机构,对系统的进给步幅进行了适当的放大。文章还针对尺蠖式压电微进给装置的闭环控制系统进行了软件和硬件的设计。最后,通过实验对预期的设计目标和微进给系统的进给效果进行了实际验证。


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